5. Биокомпозиционные материалы.

Для решения проблемы снижения токсичности композиционных материалов и повышения ее контролируемой биодеструкции предлагаются различные способы снижения ток­сичности плит. Эти способы можно условно разделить на несколько групп. К первой группе относятся способы снижения токсичности плит путем из­менения рецептуры смол, применяемых для их изготовления.

Ко второй группе относятся способы снижения содержания свободного формальдегида в плитах путем изменения их физико-механических свойств и структуры. Так при уменьшении плотности создаются более благоприятные условия для эмиссии свободного формальдегида из плит в процессе их прессования, технологической выдержки и хранения, что в целом ведет к снижению его содержания в плитах.

Эти способы не бесспорны, так как их реализация во многих случаях связана с пересмотром технических условий или стандартов на плиты, а также с некоторыми техническими трудностями. Снижение токсичности древесных композиционных материалов возможно путем замены их различными добавками, в качестве которых могут быть использованы лигносульфонаты, белок мицелия, гидролизный лигнин (ГЛ).

Результаты экспериментов показывают, что при применении в качестве вяжущих белка мицелия прочностные показатели ДСП улучшаются, водопоглощение и разбухание уменьшаются. Это можно объяснить тем, что белковая масса обладает пластифицирующими и клеящими свойствами, первое свойство улучшает процесс структурообразования, второе – адгезионные свойства.

При применении ГЛ в качестве связующего прочность и водостойкость ДСП улучшаются. Повышение прочности плит, по-видимому, можно объяснить увеличением количества клеевых швов между частицами древесины и наличием внутрипустотных образований, обладающих определенной прочностью.

Еще одним направлением получения экологически чистых прессованных материалов является использование клеящих свойств структурных составляющих самой древесины . Для этого применяют широкий круг методов предобработки целлюлозосодержащего материала (ЦСМ). По характеру воздействия их можно разделить на 4 типа: физические, механические, химические и биологические.

Химические методы предобработки основаны на способности тех или иных химических соединений растворять ЦСМ, приводить к набуханию или разрушению их структуры, а также на их способности растворять лигнин.

В последние годы особое внимание уделяется биотехнологическим и хемоферментативным технологиям получения композиционных материалов . Первые, правда, не совсем удачные попытки замены химических связующих на природные для производства композиционных материалов были сделаны в семидесятых годах, когда было предложено использовать пероксидазу в качестве агента связующего лигниновые компоненты древесины. Позднее в качестве модификатора лигнина стали использовать лакказу, выделенную из грибов белой гнили . Такая модификация позволяла сшивать между собой частички древесины и получать относительно прочные композиционные материалы. Однако, при контакте с водой такие материалы в течение короткого времени разрушались. Другие авторы использовали модифицированный лакказой или пероксидазой лигнин для закрепления целлюлозы и увеличения прочности картона и покрытия оболочкой места соединений составляющих изделий из древесины.

Одним из бурно развивающихся направлений разработки технологий производства экологически чистых пластиков является хемоферментативная сшивка лигнина с акриламидом. В основе этого процесса лежит ферментативная инициация образования феноксирадикальных производных лигнина, способных при определенных условиях включаться в реакции сополимеризации с акриламидом.

Во всех этих исследованиях в качестве модификаторов использовали ферменты продуцируемые грибами белой гнили – лакказу и пероксидазы, что значительно повышает себестоимость полученных материалов и препятствует внедрению этих технологий в производство. Альтернативой могут служить технологии, где в качестве модификаторов используются не дорогостоящие ферменты, а продуценты этих ферментов – высокоактивные грибы белой гнили . Такая технология предполагает обработку древесных опилок или других отходов растительного сырья инокулятом грибов базидиомицетов, в условиях глубинного культивирования, в течение нескольких суток. Затем субстрат с биомассой отжимают, сушат и проводят горячее прессование. Еще одним перспективным направлением в области производства композиционных прессованных материалов из отходов растительного сырья является применение в качестве связующих микробных полисахаридов и модицифированных отходов микробной биомассы. Эти же связующие можно использовать в качестве самостоятельных адгезивов.

Как выше было сказано, одним из недостатков композитов на основе синтетических компонентов и связующих, наряду с токсичностью, является низкая биологическая и климатическая разагаемость.

Радикальным решением проблемы «полимерного мусора», по мнению специалистов, является создание и освоение широкой гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на безвредные для живой и неживой природы компоненты. Именно биоразлагаемость высокомолекулярных соединений и будет приоритетным направление разработки, которое позволит исключить значительное число проблем «полимерного мусора», возникающего при использование полимерной тары и других изделий из полимеров.

В настоящий период можно выделить три основных направления развития этой области:

- полиэфиры гидроксикарбоновых кислот;

- пластические массы на основе природных воспроизводимых природных полимеров;

- придание биоразлагаемости промышленным высокомолекулярным синтетическим материалам.

Первый в мире биоразлагаемый полимер Биопол (Biopol) – полигидроксиолконоаты на основе 3-гидроксивалериановой кислот – был получен в процессе ферментации полисахаридов (сахара, крахмала) под действием бактерии Alcaligenes eutrophys. Биопол – термопласт, который перерабатывается экструзией, выдуванием и другими традиционными методами. Полученные из этого полимера изделия за несколько недель разлагаются микроорганизмами почвы с образованием углекислого газа и воды. С использованием указанных бактерий сложные сополиэфиры получают из такого сырья как бутиленгликоль, бутиролактон, масляная и хлормасляная кислота. Пленки из таких сополимеров разлагаются в почве через 2 недели после захоронения.

Использование смесей полимеров для получения различных материалов с необходимым комплексом свойств также является очень прогрессивным направлением с различных точек зрения. При создании биоразлагаемых смесей полимеров, как правило, применяется следующий принцип: к синтетическому полимеру добавляют хорошо биоразлагаемый полимер (природный или синтетический). В качестве природных чаще всего используют полисахариды, в первую очередь крахмал и целлюлозу.

Лекция 2 (4ч).

КЛЕИ И АДГЕЗИВЫ.

1.Требования, предъявляемые к адгезивам.

2.Теории и модели склеивания и адгезии.

3.Классификация клеев. Синтетические клеи - виды, состав, свойства, Применение синтетических клеев. Преимущества и недостатки. Природные клеи. Клеи растительного происхождения – крахмал, декстрин, целлюлоза. Состав, свойства, технологии получения. Применение, преимущества и недостатки. Клеи животного происхождения (костный, мездровый, столярный, казеиновый - виды, состав, свойства, технологии получения. Применение, преимущества и недостатки.

4.Способы регуляции адгезивных свойств клеев.

1.Требования, предъявляемые к адгезивам.

За полторы тысячи лет до нашей эры в Египте для склеивания уже применялся животный (мездровый) клей. Клей из костей животных начали производить в 1914 г, а рыбий – 1874 г. Углеводные клеи (мучной клейстер) применялись в производстве папируса (для скрепления растительных его волокон и придания им формы). Художники эпохи Возрождения в качестве связующего применяли яичный желток. В Древнем Риме яичный желток применялся также для наклеивания золотой фольги на бумагу. Древними живописцами в качестве связующего для пигментов в темперных красках применялся казеин. Первые патенты на казеиновые клеи были поданы в 1850 г. Широкое промышленное распространение на рубеже XX века получили клеи на основе казеина, извести и воды. После того как Макинтош применил растворитель для натурального каучука, почти два столетия в обувной и других отраслях промышленности широко использовались резиновые и эбонитовые клеи [2].

В настоящее время существует множество определений понятия клей. Слово клей имеет и другие синонимы – адгезив, связующее.

Основное правило для большинства клеев – чтобы клей по своим свойствам приближался к склеиваемым материалам. Требования, которым должны удовлетворять клеи, следующие:

а) когезия клея и его адгезия к субстрату должны быть максимально высокими, но не менее 1/10 когезионной прочности склеиваемого материала.

б) деформационные характеристики клея (модуль упругости и т.п.) должны совпадать или приближаться к таковым субстрата.

в) перечисленные выше свойства не должны сильно изменяться в широком температурном интервале (для соединений, работающих в средней климатической зоне от -30 до +80ºС).

г) клей должен иметь максимальную стойкость к воздействию внешних факторов (основное значение имеет степень снижения адгезии и когезии); а также минимальная гигроскопичность и проницаемость для веществ из окружающей среды; стойкость к прямому влиянию химических и биологических реагентов и температуры; стойкость к каталитическому действию субстратов.

д) клей должен иметь требуемые диэлектрические свойства.

е) клей при отверждении должен иметь минимальную усадку.

ж) клей не должен при отверждении выделять вещества, которые могли бы коррозировать или другим образом отрицательно влиять на субстрат.

з) подготовка поверхности субстрата перед склеиванием должна быть минимальной.

и) желательно, чтобы клей отверждался без нагревания и давления.

к) клей должен иметь продолжительный срок хранения и наноситься простыми средствами.

Связующим называется высокомолекулярное органическое вещество (полимер), обладающее способностью при воздействии тепла и давления соединять поверхности древесины, предварительно смазанные этим веществом представляет собой вещество, обладающее свойством при нанесении его на соединяемые поверхности при определенных условиях образовывать прочный слой, скрепляющий их. Понятие “связующее” идентично понятию “клей”. Традиционно сложилось так, что в производствах, связанных с соединением измельчен- ных частиц и тонких слоев древесины, пользуются понятием “связующее”, а при склеивании деталей из массивной древесины – понятием “клей”.

Клей – это простая или сложная композиция (состав). Основой клея служат полимер животного происхождения (глютин, казеин, альбумин) или синтетические смолы. Эти вещества обладают свойством адгезии к склеиваемым поверхностям и способностью образовывать прочные пленки.